CH651357A5

CH651357A5 - Diffusor eines fliehkraftverdichters.

Info

Publication number: CH651357A5
Application number: CH726/81A
Authority: CH
Inventors: Yoichi Yoshinaga; Hiromi Kobayashi; Shinjiro Ueda; Yoshihiro Takada; Hideo Nishida
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-02-08
Filing date: 1981-02-04
Publication date: 1985-09-13
Also published as: IT8167156A0; DE3103595A1; JPS56113097A; JPS6230320B2; DE3103595C2; US4421457A; IT1143361B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor eines Fliehkraftverdichters, der innerhalb eines weiten Arbeitsbereichs betrieben werden kann und mit erhöhtem Wirkungsgrad arbeitet.

Ein schaufelfreier Diffusor, der in einem bekannten Fliehkraftverdichter eingesetzt wird, umfasst zwei Diffusorscheiben, die zwischen sich einen Fluidkanal bilden. Die Geschwindigkeitsenergie eines aus dem Laufrad austretenden Hochgeschwindigkeits-Fluidstroms wird am Diffusor in Druckenergie umgewandelt und aus dem Auslass abgegeben, nachdem eine kontinuierliche Druckrückgewinnung in dem den Diffusorscheiben nachgeschalteten Spiralgehäuse erfolgt ist. Insbesondere bei einem Laufrad mit hoher spezifischer Geschwindigkeit, das mit einem mit grossem Durchsatz strömenden Fluid arbeitet, tendieren der Strömungswinkel ai und die Radialkomponente C2m der absoluten Geschwindigkeit des Fluids am Laufradauslass im allgemeinen dazu, eine stark ungleichmässige Verteilung zwischen Haube und Nabe (vgl. die Fig. 1 und 2) zu zeigen, und zwar aufgrund der relativ grossen Breite des Laufradauslasses. Eine Ungleich-mässigkeit in der Fluidströmung am Einlauf des Diffusors hat eine erhebliche Leistungsminderung des Diffusors zur Folge, wie in Fig. 3 zu sehen ist, die Versuchsergebnisse mit einem zweidimensionalen Diffusor zeigt; dabei ist CP das Rückgewinnungsverhältnis des statischen Drucks zum dynamischen Druck am Diffusoreinlauf, und Bf eine Grösse (1 -das Verhältnis der wirksamen Querschnittsfläche des Fluidkanals zur geometrischen Querschnittsfläche des Fluidkanals). Die gleichen Ergebnisse wie in Fig. 3 konnten in Versuchen mit einem Radialdiffusor, der in einer Fliehkraft-Fluidmaschine verwendet wurde, erhalten werden.

Wie vorstehend gesagt, tritt bei dem Diffusor eines bekannten Fliehkraftverdichters eine Ungleichmässigkeit in der Fluidströmung unmittelbar nach dem Fluidaustritt aus dem Laufrad aus, wodurch eine erhebliche Leistungsminderung verursacht wird. Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen (vgl. US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 171 268 vom 22. Juli 1980), an wenigstens einer Diffusorscheibe am Einlaufteil des Diffusors eine Mehrzahl Strömungsleitschaufeln in Form einer kreisförmigen Kaskade vorzusehen, wobei die Höhe jeder Leitschaufel nicht mehr als die halbe Breite des Fluidkanals beträgt.

Dieser Vorschlag ist insoweit wirksam, als die aus dem Laufrad austretende Fluidströmung am Diffusoreinlauf ver-gleichmässigt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die vorgeschlagenen Strömungsleitschaufeln im Hinblick auf die Vermeidung des Auftretens einer Sekundärströmung im unteren Abschnitt des schaufelfreien Diffusors nicht wirksam sind. Denn innerhalb einer Strömung eines viskosen Fluids wird, auch wenn dieses gleichmässig in den Einlaufteil des Diffusors einströmt, im stromabwärts befindlichen Diffusor-auslaufteil eine Sekundärströmung auftreten infolge der Anwesenheit der Grenzschicht, die nach ihrer Bildung im Einlaufteil sich im Auslaufteil entwickelt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Diffusors eines Fliehkraftverdichters, der den Primärstrom im Einlaufteil des Diffusors vergleichmässigt und das Auftreten einer Sekundärströmung, die infolge einer nahe derjenigen Diffu-sorwand, auf die die Primärfluidströmung auftrifft, gebildeten Grenzschicht erzeugt werden könnte, verhindert. Dabei soll die Vergleichmässigung der Strömung mit gesteigertem Wirkungsgrad erfolgen, und der Verdichtungsstoss-Bereich des Fliehkraftverdichters soll auf die Seite des niedrigeren Durchsatzes verschoben werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 umschrieben. Hierbei wird das Fluid mit einem kleinen Strömungswinkel geführt und dadurch die Gesamt-fluidströmung im wesentlichen vergleichmässigt. Bei einer alternativen Ausführungsform des Diffusors sind anstelle der Leitschaufeln Führungsnuten gebildet. Die Höhe der Leitschaufeln und die Tiefe der Führungsnuten nimmt vom Einlauf des Diffusors zum Auslauf des Diffusors hin stetig ab.

Der Grund für die Bemessung der Leitschaufeln ist derart, dass ihre Höhe kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals des Diffusors ist, liegt darin, dass entsprechend Fig. 2 im wesentlichen keine Beeinflussung des Primärstroms im zen2

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tralen Teil des Diffusors zwischen der Nabe und der Haube erfolgt. Der Grund für die stetige Höhenabnahme der Leitschaufeln vom Diffusoreinlauf zum Diffusorauslauf liegt darin, dass nach der Vergleichmässigung der Primärströmung ein Sekundärströmungsverlust vermieden werden kann, indem durch die vorgeschlagene Anordnung die Fluid-reibungsverluste kleingehalten werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht die die Fluidströmung am Aus-lass des Laufrads eines Fliehkraftverdichters nach dem Stand der Technik erläutert;

Fig. 2 eine Grafik, die die Fluidströmungsverteilung am Auslass des Laufrads eines bekannten Fliehkraftverdichters zeigt;

Fig. 3 eine Grafik, die die Einflüsse der ungleichen Ein-laufgeschwindigkeitsverteilung auf die Leistung eines zweidimensionalen Diffusors als Versuchsergebnisse wiedergibt;

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Fliehkraftfluidmaschine (Fliehkraftverdichter) nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Vorderansicht der Leitschaufeln nach Fig. 4;

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch wesentliche Teile eines weiteren Ausführungsbeispiels des Fliehkraftverdichters;

Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch wesentliche Teile eines dritten Ausführungsbeispiels des Fliehkraftverdichters; und

Fig. 8 eine Vorderansicht des Diffusors, wobei die Form der Leitschaufeln (Leitnuten) gezeigt ist.

Nach Fig. 4 werden bei dem Fliehkraftverdichter ein Laufrad 4 mit Schaufeln 1,einer Haube 2 und einer Nabe 3 von einer Welle 5 getrieben. Ein Gas wird in den Fliehkraftverdichter durch einen Saugkanal 6 eingeleitet und durch das Laufrad 4 in eine hohe Geschwindigkeit versetzt, bevor es zu einem Diffusor 7 geleitet wird. Der Diffusor 7 umfasst zwei gegenüberliegende Diffusorscheiben 8 und 9, die zwischen sich einen Strömungskanal begrenzen, der mit einem Spiralgehäuse 10 in StrömungsVerbindung steht. An der Diffusorscheibe 9 auf der Seite des Mantels 2 sind mehrere Leitschaufeln 11 vorgesehen und entsprechend Fig. 5 auf dem Umfang der Diffusorscheibe 9 angeordnet. Die Leitschaufeln 11 sind, auf der Basis des Konstruktions-Strömungswinkels (einem Mittelwert von «2 gemäss Fig. 2 in Breitenrichtung des Diffusors), wie folgt geformt.

Jede Leitschaufel 11 hat einen Einlaufwinkel ß3, der gleich oder kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel (ein Mittelwert von 0.2 gemäss Fig. 2 in Breitenrichtung des Diffusors) ist, und einen Auslaufwinkel ß4, der im wesentlichen gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel ist. Der Einlaufund der Auslaufwinkel der Leitschaufeln 11 wird aus folgenden Gründen in dieser Weise ausgelegt. Im Einlaufteil des Diffusors 7 ist der Strömungswinkel ct2 in einem Abschnitt des Strömungskanals nahe der Haube oder der Nabe jederzeit kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel (vgl. Fig. 2). Somit wird der vorgenannte Wert gewählt, um den Einlaufwinkel ß3 der Leitschaufeln 11 dem tatsächlichen Strömungswinkel auf einem Durchschnittswert anzunähern, um Verluste dadurch zu minimieren. Bezüglich des Auslaufwinkels ß4 wird der angegebene Wert gewählt, damit der Zwischenteil und der Auslaufteil der Leitschaufeln 11 einer idealen Strömung im Diffusor (einer Strömung längs einer logarithmischen Spirale oder einer Konstantströmung mit einem Strömungswinkel gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel) angenähert werden. Jede Leitschaufel 11 ist im Zwischenteil als Parabelbogen oder andere Kurve ausgebildet, so das der Winkel gleichmässig von ß3 nach ß4 übergeht. Die Höhe jeder Leitschaufel 11 ist geringer als die halbe

Breite des zwischen den Diffusorscheiben 8 und 9 definierten Fluidkanals. Die Höhe der Leitschaufeln 11 ist maximal am Einlauf des Diffusors 7 und nimmt vom Einlauf zum Auslauf des Diffusors hin stetig ab, bis sie Null oder das 0,25-0,5fache der Höhe am Einlauf des Diffusors 7 beträgt.

Die Leitschaufeln 11 sollen die ungleichmässige Strömung am Auslass des Laufrads 4 oder am Einlauf des Diffusors 7 im wesentlichen vergleichmässigen, um dadurch den Wirkungsgrad des Diffusors gegenüber einem schaufelfreien Diffusor zu steigern und die Ausbildung einer Grenzschicht auf der stromabwärts liegenden Seite zu unterbinden, so dass ein Druckverlust, der sonst infolge der Erzeugung einer Sekundärströmung auftreten könnte, vermieden wird. Die stromabwärts erfolgende Abnahme der Höhe der Leitschaufeln soll die Fläche des mit dem Fluid in Kontakt befindlichen Fluidkanals vermindern, um einen sekundären Strömungsverlust auf der stromabwärts befindlichen Seite zu vermeiden, während gleichzeitig ein Fluidreibungsverlust kleingehalten wird, weil die Strömung auf der stromaufwärts befindlichen Seite wirksam vergleichmässigt wird.

Bisher wurde es als unerwünscht angesehen, Leitschaufeln etc. im Diffusor unmittelbar nach dem Einlaufabschnitt vorzusehen, und zwar wegen der Möglichkeit der Geräuschentwicklung. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Leitschaufeln nach der Erfindung nicht mit diesem Nachteil behaftet sind, sondern die Wirkung haben, die Fluidströmung gleichmässig zu leiten, und zwar wahrscheinlich deshalb, weil die Leitschaufeln nicht über die Gesamtbreite des Diffusors vorgesehen sind.

Nach der Erfindung hat das Anbringen der Leitschaufeln an einer der Diffusorscheiben und im Strömungskanal,

wobei die Schaufelhöhe am Einlauf gross ist und in Richtung zum Auslauf zunehmend kleiner wird, die Auswirkung, dass die ungleichmässige Strömung des Fluids am Auslass des Laufrads im Einlaufteil des Diffusors im wesentlichen vergleichmässigt wird und dass die Erzeugung einer Sekundärströmung vermieden wird und nur ein geringer Reibungsverlust des Fluids infolge der verminderten Schaufelhöhe im Auslaufteil des Diffusors auftritt, so dass dadurch das Auftreten eines instabilen Betriebs des schaufelfreien Diffusors aufgrund einer Ablösung der Fluidströmung von den Oberflächen der Diffusorscheiben und entsprechender Rückströ-mung des Fluids verhindert wird.

Auf diese Weise wird eine Charakteristik des Verdichters bei niedrigem Durchsatz wesentlich verbessert. Insbesondere ergeben sich die Vorteile nach der Erfindung aus dem Verhindern des Auftretens einer Sekundärströmung. Es sei angenommen, das eine Sekundärströmung auftritt. Dann tritt ein Zurückströmen des Fluids aus dem Diffusor zum Laufrad auf, so dass ein Strömungsabriss und andere Erscheinungen einer instabilen Strömung auftreten, die das Auftreten eines Verdichtungsstosses zur Folge haben. Bei der Erfindung kann das Auftreten einer Sekunsärströmung innerhalb des Diffusors verhindert werden, so dass der Verdichtungsstoss-punkt des Fliehkraftverdichters nach niedrigem Durchsatz hin verschoben werden kann.

Ferner ergibt sich durch das Anordnen der Leitschaufeln die weitere Auswirkung, dass in einem Diffusor ohne denselben ganz überbrückende Schaufeln eine gleichmässige Fluidströmung erzielbar ist, so dass der Wirkungsgrad des Diffusors verbessert wird und die Ausgangsleistung eines einen solchen Diffusor aufweisenden Fliehkraftverdichters ebenfalls erheblich gesteigert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Leitschaufeln II nicht nur an der Diffusorscheibe 9 auf der Seite der Haube 2, sondern auch an der Diffusorscheibe 8 auf der Seite der Nabe 3 angeordnet. Die Leitschaufeln 11 auf der

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Diffusorscheibe 8 wirken mit denjenigen auf der Diffusorscheibe 9 dahingehend zusammen, dass sie die Strömungswinkel bei geringer Fluidströmung auf der Seite der Nabe 3 so leiten, dass die Strömung im wesentlichen vergleichmässigt wird. Normalerweise ist der Winkelbereich bei geringster Strömung auf der Nabenseite klein, so dass die Höhe der Leitschaufeln 11 auf der Seite der Nabe '3 geringer als diejenige der Leitschaufeln 11 auf der Seite der Haube 2 sein kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind in der Diffusorscheibe 9 auf der Seite der Haube 2 eine Mehrzahl Führungsnuten 12 gebildet, und zwar auf der Basis desselben Konzepts wie die Leitschaufeln nach Fig. 4. Die Führungsnuten 12, die in dem durch die Diffusorscheibe 9 begrenzten Fluidkanal vorgsehen sind, haben eine Tiefe, die im wesentlichen gleich der Höhe der Leitschaufeln 11 von Fig. 4 ist. In diesem Fall zieht ein Teil des in den Führungsnuten 12 strömenden Fluids den Rest des auf der Diffusorscheibe 9 strömenden Fluids nach, so dass die Fluidströmung im Fluidkanal im wesentlichen vergleichmässigt werden kann. Damit kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 die gleichen Auswirkungen wie diejenigen nach den Fig. 4 und 6 haben. Die Rippen der Diffusorscheibe 9, die zwischen den Führungsnuten 12 verbleiben, sind bevorzugt so dünn wie möglich. Rippen geringer Dicke ergeben eine Vergrösserung der Berührungsfläche zwischen den Teilströmungen in den Nuten und ausserhalb dieser Nuten. Dadurch wird die gegen-5 seitige Beeinflussung der Strömung in den Nuten und der Strömung ausserhalb derselben und letzlich eine bessere Ver-gleichmässigung der gesamten Strömung im Diffusor erreicht.

Fig. 8 erläutert die Vorgänge beim Bestimmen der Form io der Leitschaufeln 11 und der Führungsnuten 12. Die Figur zeigt ein konkretes Beispiel, bei dem die Einlauf- und Auslaufwinkel ß3 und ß4 der Leitschaufeln die Bedingung ß4 > ß3 erfüllen, und der innere und äussere Abschnitt der Nut gehen stossfrei ineinander über. Insbesondere ist bei dem darge-ls stellten Beispiel der Schaufelwinkel in der Lage eines Mittelwertes Rm des Einlaufradius R3 und des Auslaufradius R4 des Diffusors gleich dem Auslaufwinkel ß4 gemacht, und der Schaufelwinkel in ausserhalb des mittleren Radius liegenden Positionen wird konstantgehalten (ß4), so dass die Leit-20 schaufei eine logarithmische Spiralform hat. In Positionen innerhalb des mittleren Radius kann eine geeignete Kurve, z.B. eine Parabel, ein Bogen etc., verwendet werden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

651357 PATENTANSPRÜCHE

1. Diffusor eines Fliehkraftverdichters, mit

- einem Ein- und einem Auslauf,

- zwei gegenüberliegenden Diffusorscheiben (8,9), und

- einem zwischen den beiden gegenüberliegenden Diffusorscheiben definierten Fluidkanal, gekennzeichnet durch

- eine Mehrzahl Leitschaufeln (11), die auf wenigstens einer (9) der Diffusorscheiben (8,9) vorgesehen sind und längs der Strömung eines Fluids im Fluidkanal verlaufen, wobei

- die Höhe jeder Leitschaufel (11) kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals ist und vom Diffusoreinlauf zum Diffusor-auslauf hin allmählich abnimmt.

2. Diffusor eines Fliehkraftverdichters, mit

- einem Ein- und einem Auslauf,

- zwei gegenüberliegenden Diffusorscheiben, und

- eine Mehrzahl Führungsnuten (12), die in wenigstens einer (9) der Diffusorscheiben (8,9) vorgesehen sind und längs der Strömung eines Fluids im Fluidkanal verlaufen, wobei

- die Tiefe der Führungsnuten (12) kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals ist und vom Diffusoreinlauf zum Dif-fusorauslauf hin allmählich abnimmt.

3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Leitschaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) an der haubenseitigen Diffusorscheibe (9) vorgesehen sind (Fig. 4; Fig. 7)

4. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Leitschaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) an beiden gegenüberliegenden Diffusorscheiben (8,9) vorgesehen sind (Fig. 6).

5. Diffusor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Höhe der Leitschaufeln (11) bzw. die Tiefe der Führungsnuten (12) an der haubenseitigen Diffusorscheibe (9) kleiner als an der nabenseitigen Diffusorscheibe (8) ist.

6. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Leitschaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) so angeordnet sind,

- dass ihr Einlaufwinkel gleich oder kleiner als der Kon-struktions-Strömungswinkel und

- ihr Auslaufwinkel im wesentlichen gleich dem Konstruk-tions-Strömungswinkel ist.